錸（Re）是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強(qiáng)度的元素。但是，并沒有得到廣大研究者的認(rèn)同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機(jī)的，而是以納米團(tuán)簇的形式出現(xiàn)，因此障礙位錯運動。與此同時，一些研究人員聲稱，無法通過使用三維（3D）原子探針斷層掃描（APT）或擴(kuò)展的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜找到高溫合金中的Re團(tuán)簇。最近，在單晶高溫合金的界面位錯核心處，發(fā)現(xiàn)了Re偏析，伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動，從而提高超級合金的抗蠕變性。但是，在Ni基高溫合金中，Re原子的空間分布和“Re效應(yīng)”的機(jī)制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，中國浙江大學(xué)張澤院士團(tuán)隊的李吉學(xué)教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Long-Qing Chen合作，采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了鎳基單晶高溫合金中錸（Re）的分布。發(fā)現(xiàn)Re原子在界面位錯核心附近的拉應(yīng)力區(qū)域分離，形成“Cottrell大氣”，偏析過程由位錯管擴(kuò)散促進(jìn)。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）應(yīng)變研究表明，沿相界分布Re的位錯網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)了機(jī)械壁，有效地阻止了位錯運動和裂紋擴(kuò)展。同時，Re分離的程度可以通過熱處理來調(diào)節(jié)。理論分析表明，這種顯著的合金化效應(yīng)主要來源于Re局部組分應(yīng)變與位錯應(yīng)變之間的相互作用，導(dǎo)致界面位錯網(wǎng)絡(luò)顯著穩(wěn)定。此結(jié)果為理解鎳基高溫合金力學(xué)性能中Re效應(yīng)的起源提供了新的視角，有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設(shè)計高性能的不含Re高溫合金。相關(guān)成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發(fā)表在Acta Materialia上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 鎳基單晶高溫合金的初始結(jié)構(gòu)圖

（a，b）時效前后的典型顯微結(jié)構(gòu)圖；

（c）是（a）中三角區(qū)域的元素分布圖；

（d）Na₂V₆O₁₆?xH₂O的高分辨晶格條紋相；

（d）是（b）中用虛線矩形描繪的界面位錯網(wǎng)絡(luò)的放大圖像（左），沿[001]方向觀察，對應(yīng)的三維位錯層析圖（右）。

圖 2 界面位錯網(wǎng)絡(luò)的EDS能譜圖

（a）垂直于位錯網(wǎng)絡(luò)的EDS能譜圖；

（b-c）含和不含位錯界面的γ/γ’相界面的HAADF-STEM圖像。

圖 3 原子尺度下界面位錯核心結(jié)構(gòu)的STEM和化學(xué)分析圖

（a）樣品A界面位錯核心結(jié)構(gòu)的高分辨HAADF-STEM圖像；

（b）是（a）位錯核心γ相Re，Cr，Co和Mo的EDS圖。

圖 4  樣品A-F中50個界面核心Re含量的統(tǒng)計圖

（a）樣品A中Re的統(tǒng)計圖；

（b）樣品B中Re的統(tǒng)計圖；

（c）樣品C中Re的統(tǒng)計圖；

（d）樣品D中Re的統(tǒng)計圖；

（e）樣品E中Re的統(tǒng)計圖；

（f）樣品F中Re的統(tǒng)計圖。

圖 5  原位拉伸時，樣品A和C的位錯行為比較圖

（a）原位拉伸樣品A的STEM圖像；

（b）原位拉伸樣品B的STEM圖像；

（c）是（a）的放大圖和Cr的能譜圖；

（d）是（b）的放大圖和Cr的能譜圖。

圖 6  微拉伸樣品A和C的SEM圖像

（a，b）樣品A和C的裂紋圖像；

（c，d）樣品A和C的滑移圖像。

圖 7  γ/γ’相界面中Re原子偏析模擬圖

（a）界面位錯結(jié)構(gòu)的示意圖；

（b）γ相中Re原子的原始分布圖；

（c）通過蒙特卡羅模擬優(yōu)化圖。

圖 8 Re對位錯核心寬度的影響

（a）位錯核心不同Re含量的分布圖；

（b）基于Peierls-Nabarro模型的tan^-1函數(shù)的錯合度模擬圖。

圖 9 純粹界面位錯和含Re界面在不同應(yīng)力狀態(tài)下的比較圖

（a）含和不含Re位錯核心界面的模擬圖；

（b）小框架中應(yīng)力分量σ_xx，σ_yy，σ_xy和流體靜應(yīng)力σ_H圖。

【小結(jié)】

本文通過亞埃解析STEM和EDS技術(shù)，在單晶高溫合金樣品中定量研究界面位錯網(wǎng)絡(luò)處的Re偏析。進(jìn)行原位TEM和SEM拉伸試驗，揭示Re原子和界面位錯核之間的相互作用對γ相中的位錯移動的影響。采用分子動力學(xué)和Monte Carlo方法相結(jié)合，探測Re原子對γ/γ'界面性質(zhì)的影響。

主要結(jié)論可概括如下：

（1）在高溫下，Re原子在拉伸區(qū)域的界面位錯核心處發(fā)生偏析。由于擴(kuò)散效應(yīng)，Re的擴(kuò)散系數(shù)顯著增加，有助于Re沿著位錯線偏析。

（2）降低冷卻速度是提高界面位錯核心Re濃度的一種快速有效的方法。在γ/γ'界面遷移過程中，再分離會隨位錯移動。

（3）再分離增強(qiáng)了γ/γ'界面。在位錯網(wǎng)絡(luò)上含有更高濃度的Re的界面可，以更有效地阻止位錯的剪切。

（4）添加Re后，位錯能量平均每nm下降152.7 eV。然而，核心的Re偏析對位錯的核心結(jié)構(gòu)沒有顯著影響。Re在相界面力學(xué)性能中的主要作用是界面位錯網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定化，這可能是高溫合金中Re效應(yīng)的起源。

此結(jié)果不僅有助于解釋Ni基高溫合金中重要的“Re效應(yīng)”，而且為改善Ni基高溫合金的蠕變性能提供了新的視角。

文獻(xiàn)鏈接：Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy（Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat. 2018.05.025）。